Detección de la masa de los neutrinos

Construido en las entrañas del monte Ikenoyama, un detector gigantesco ha captado las metamorfosis que los neutrinos sufren a lo largo de su trayectoria. Esa observación presta sólido apoyo a la tesis que atribuye masa a partículas tan esquivas.

El detector Super-Kamiokande se encuentra en una mina de zinc en el interior del monte Ikenoyama. Su tanque de acero inoxidable contiene 50.000 toneladas de agua ultrapura, tan transparente que la luz puede atravesar casi 70 metros antes de perder la mitad de su intensidad. Esa agua es monitorizada por 11.000 tubos fotomultiplicadores que cubren las paredes, el suelo y el techo con el objetivo de detectar destellos de luz de Cherenkov, la manifestación de que se ha producido una colisión entre un neutrino de alta energía y un núcleo atómico del agua. En esta fotografía, unos técnicos en balsas hinchables limpian los tubos. [David Fierstein]

En síntesis

Desde que se vaticinara la existencia del neutrino en los años treinta del siglo xx, los físicos habían supuesto que estas partículas carecían de masa. Hoy se conocen tres tipos de neutrino: el electrónico, el muónico y el tauónico.

En 1998, el experimento japonés Super-Kamiokande descubrió que los neutrinos de un tipo podían transformarse espontáneamente en neutrinos de otro. Las leyes cuánticas sugieren que este fenómeno solo es posible si los neutrinos tienen masa.

Este hallazgo no afecta de manera significativa a la estructura del modelo estándar de la física de partículas. Sin embargo, reviste importancia para las teorías de gran unificación y podría ayudar a explicar el problema de los neutrinos solares.

Artículo recomendado por la Fundación Nobel con motivo del premio Nobel de física otorgado en 2015 a Takaaki Kajita y Arthur B. McDonald por el descubrimiento de las oscilaciones de neutrinos.

En ocasiones, la basura de una persona puede ser el tesoro de otra. Para un físico, la basura es el «ruido de fondo»: aquellos procesos asociados a fenómenos prosaicos y bien conocidos. El tesoro es la «señal»: indicaciones de nuevos fenómenos que esperamos que amplíen nuestra comprensión del universo. Desde hace veinte años, varios grupos de todo el mundo intentan detectar la desintegración del protón, un proceso extremadamente raro que, suponiendo que realmente ocurra, se ocultaría bajo una montaña de reacciones de fondo instadas por neutrinos, esquivas partículas muy difíciles de detectar. El protón, uno de los constituyentes principales de los átomos, parece ser inmortal. Pero observar su desintegración supondría un fuerte espaldarazo para las llamadas teorías de gran unificación, las cuales muchos investigadores creen que se hallan tras el exitoso modelo estándar de la física de partículas. Para detectar dicho proceso se han construido gigantescas instalaciones subterráneas en minas y túneles, con el objetivo de protegerlas de la incesante lluvia de rayos cósmicos. Sin embargo, por muy profundos que se encuentren, tales detectores siguen estando expuestos a los penetrantes neutrinos.

La primera generación de detectores de desintegraciones de protones operó entre 1980 y 1995 y no encontró señal alguna de dicho proceso. Pero, en el camino, los investigadores se percataron de que el ruido de fondo causado por los neutrinos no era tan prosaico como se pensaba. Uno de esos experimentos, el detector Kamiokande, estaba instalado en Kamioka, una localidad minera situada a unos 250 kilómetros de Tokio. El nombre es la contracción de Kamioka Nucleon Decay Experiment («Experimento de Desintegración de Nucleones de Kamioka»). Tanto en esta instalación como en el experimento IMB, ubicado en una mina de sal de Ohio, los investigadores emplearon detectores muy sensibles que monitorizaban un depósito de agua ultrapura para captar el destello que revelaría que un protón se había desintegrado.

Sin embargo, un suceso así habría pasado inadvertido, cual aguja en un pajar, entre unos mil destellos similares causados por la interacción entre los neutrinos y los núcleos atómicos del agua. Y aunque los investigadores no registraron la desintegración de ningún protón, el análisis de esas mil reacciones destapó un auténtico tesoro: tentadores indicios de que los neutrinos son partículas inesperadamente volubles que, en su propagación, pueden cambiar de identidad. De confirmarse, dicho fenómeno sería tan apasionante y refractario a las teorías actuales como la misma desintegración del protón.

Los neutrinos son partículas asombrosas y sutiles. Cada segundo, unos 60.000 millones atraviesan cada centímetro cuadrado de nuestro cuerpo (o de cualquier otro objeto), la mayoría procedentes del Sol. Dado que apenas interaccionan con otras partículas, esos 60.000 millones suelen atravesarnos sin rozar un átomo. De hecho, si lanzásemos un haz de neutrinos a través de un año luz de plomo, la mayoría de ellos lo atravesaría sin inmutarse. Un detector del tamaño de Kamiokande apenas apresa una minúscula fracción de todos los neutrinos que lo atraviesan cada año.

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